肉桂化學成分與藥理作用研究進展

高銘哲,李 婷,田晨琪,洪 潔,李雅園,王 浩,王元清

(中南林業科技大學 生命科學與技術學院,湖南 長沙410004)

肉桂(Cinnamomum cassiaPreesl)原名為菌桂、牡桂,系樟科樟屬的植物,國產肉桂為樟科植物肉桂(Cinnamomum cassiaPreesl)的干燥樹皮[1],具有重要的食用與藥用價值,具有引火歸元、散寒止痛、補火助陽等作用[1],其喜歡生長在溫暖、濕潤和陽光充足的環境之中,但不適合在缺水和積水的環境中生長。肉桂大多是人工栽培,原產地是中國,但其在印度、老撾、越南和印度尼西亞也有廣泛的分布,而就中國而言,廣東與廣西栽培較多,特別是廣西的產量達到全國的一半以上。肉桂是我們國家中藥材出口的第一大品種,其既可以用作藥材,又可以作為食品調料,所以廣受歡迎。植物肉桂的樹皮有香味,常作為香料使用。肉桂作為一種中藥材,其全身都是寶,樹皮、樹枝、果實均可入藥。肉桂藥用研究歷史悠久,在《本經》《珍珠囊》等古書中都有對其藥用價值的記載。現在肉桂的研究已精確到分子水平,肉桂藥用的相關理論更完善,藥理作用機制更清晰,對其化學成分的研究也更明確。現對肉桂的化學成分與藥理作用研究進行綜述,以期為肉桂的開發利用提供依據。

1 肉桂的化學成分

肉桂中的化學成分復雜,主要含有揮發性成分、多糖類成分、倍半萜及其糖苷類成分和黃酮類成分,其中還含有肉桂酸、桂皮酸、丁香酸和膽堿等其他成分[2]。在所有成分當中,揮發性成分(揮發油)為其主要活性部位[3]。本文主要針對肉桂中的肉桂油及其成分進行研究分析。

1.1 肉桂油中的化學成分

張小飛等[4]利用水蒸氣蒸餾法提取四川產肉桂揮發油,采用氣相色譜-質譜(GC-MS)分析了其中的化學成分,并從其中鑒定出了21種揮發油成分,其中的主要成分為桂皮醛,占比大約72.54%,其余成分包括蒎烯、鄰甲氧基肉桂醛和蓽澄茄烯等,除以上成分外還有15種含量不足1%的成分,在總成分中占比為6.37%。董巖等[5]的實驗中鑒定出了35種化學成分,占揮發油相對含量的96%以上。邱琴等[6]從福建寧德產肉桂和云南文山縣產肉桂揮發油中鑒定出含量最高的組分均為反式-肉桂醛,前者占76.13%,后者占71.65%。還有其他含量較高的成分,如順式-肉桂醛(福建2.01%,云南1.38%),肉桂醇(福建0.52%,云南1.72%),鄰甲氧基肉桂醛(福建2.06%,云南2.17%),苯甲醛(福建0.76%,云南1.02%)等。

1.2 肉桂油的提取

1.2.1 水蒸氣蒸餾法提取 將肉桂藥材粉碎后置于揮發油提取器進行提取,提取至油量不再增加之后收集所得的肉桂揮發油通過無水硫酸鈉脫水處理,得到肉桂揮發油樣品[4]。

1.2.2 超臨界CO2萃取法 將肉桂藥材粉碎后放入萃取釜中進行萃取,萃取完畢后,用無水硫酸鈉脫水,得到肉桂揮發油[7]。超臨界CO2萃取(SFE-CO2)分離技術是目前揮發油提取領域頗具前景的一種提取技術,該法的原理是物質在一定溫度和壓力下,脂溶性物質會從物質中分離出[8]。

1.3 肉桂油成分檢測

采用水蒸氣蒸餾法或超臨界CO2萃取法從肉桂中提取出肉桂油后,需要對其進行化學成分分析,這樣可以更清晰地了解肉桂油中的各成分以及各成分的含量,為肉桂精油在食品藥品中的應用提供依據。

目前對于從肉桂提取出的肉桂油的化學成分檢測主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜質譜法等方法[9-11]。而目前在實驗室中最常見且最為方便的方法就是運用氣相色譜質譜儀進行氣相色譜質譜聯用法,也就是GC-MS分析法。其中色譜條件分為GC條件和MS條件,包括色譜柱的相關數據、升溫程序、進樣方法、監測模式、氣流量、溫度等數據。質譜條件包括電離源的選擇、能量的設定、溫度與載氣的預選、掃描方式等。不同GC條件與MS條件分析肉桂成分的情況見表1。

表1 肉桂成分分析GC-MS條件對比

利用氣相色譜-質譜聯用儀,用計算機NIST譜庫檢索肉桂中各組分的質譜數據,就可以對各組分進行鑒定;使用NIST02標準質譜圖庫檢索,用峰面積歸一化法可以計算各成分含量。當然不同產地、不同采收方法獲得的肉桂中各成分含量不同。

2 肉桂的藥理作用

2.1 抗腫瘤作用

肉桂中的多種成分都對腫瘤細胞有抑制作用,加快癌細胞凋亡。曾瓊瑤等[15]將不同濃度的肉桂醛加入培養基與結腸癌細胞一起培養,實驗結果表明肉桂中的肉桂醛能明顯抑制結腸癌細胞的增殖并且誘導腸癌細胞凋亡,培養基上結腸癌菌落數減少,且隨著培養時間延長、肉桂醛用量增加,結腸癌細胞增殖速度明顯下降。肉桂多酚能通過阻斷細胞周期進程、誘導腫瘤細胞凋亡等方式消滅腫瘤細胞。SCHOENE N W等[16]發現肉桂總多酚對抑制急性淋巴性白血病細胞增殖有很好效果。ASSADOLLAHI V等[17]主要是以Schoene NW的研究為基礎,通過進一步研究發現肉桂多酚能抑制HL-60細胞系的增殖,細胞周期止于G1期。GWANG HUN PARK等[18]發現肉桂嫩枝水提物可下調βcatenin和TCF4的表達,下調Cyclind1mRNA的表達,抑制Wnt的活化,從而抑制Cyclind1的轉錄來抑制直腸癌細胞增殖;另外,可能通過ROS依賴的NF-κB和ATF3激活誘導直腸癌細胞凋亡。HSING-CHEN Wu等[19]發現肉桂提取物(60μg/m L)通過抑制基質金屬蛋白酶(MMP)-2和尿激酶型纖溶酶原激活劑(u-PA)抑制肺腺癌A549和H1299細胞的運動、侵襲和遷移;通過FAK-to-ERK1/2途徑抑制U-PA/MMP-2,顯示出抗肺腺癌A549和H1299細胞轉移的活性。SOUMYA J KOPPIKAR等[20]發現肉桂改變宮頸癌細胞系SiHa細胞的生長動力學呈劑量依賴性。與對照細胞相比,經肉桂水提物處理的細胞集落數減少,MMP-2表達下調,Her-2癌蛋白表達顯著降低,通過增加細胞內鈣信號以及線粒體膜電位的下降來誘導宮頸癌細胞凋亡。LI JIE等[21]研究發現肉桂醛通過抑制PI3K/Akt信號通路影響大腸癌細胞的生物學行為并誘導細胞凋亡。

2.2 抗菌作用

肉桂的多種成分都有抗菌作用,如肉桂中提取出的肉桂油、肉桂酸、肉桂醛等物質。南洋等[22]發現肉桂中的乙醇提取物對肉制品中的細菌有很好抑制作用。同時肉桂酸經酯化后能夠抵抗多種細菌,如大腸桿菌和白地霉能被肉桂酸蔗糖酯抑制,降低其活性甚至導致其死亡[23]。以肉桂酸為原料制成肉桂酸薄荷酯,對6種細菌進行處理,發現對大腸桿菌的抑制能力最強,其最小抑菌濃度(MIC)為1.17μg/m L,對金黃葡萄球菌的抑制能力較弱(MIC=18.85μg/m L)[24]。將肉桂中的某些成分與其他物質聯合使用時也能達到良好的抑菌效果,有研究團隊發現丁香和肉桂精油一起使用時,其對大腸桿菌、黑曲霉、青霉等都有著很好的抑制作用[25]。KATARZYNA GUCWA等[26]發現肉桂精油對183株白色念珠菌和76株光滑念珠菌都表現出不同程度的抑菌和殺菌活性,最小抑制濃度在0.002%~0.125%(v/v)之間,其作用機制為影響細胞膜鉀離子流出,抑制酵母向菌絲體的轉化。NATHALIE GAEBLER等[27]發現肉桂精油對產氣莢膜菌有較好的抑菌作用,最低抑制濃度為17.57μg/m L。

2.3 調節神經系統

肉桂對神經系統具有調節作用,能治療一些神經系統性疾病,如帕金森、阿爾斯海默癥、慢性腦缺血等疾病。在水迷宮實驗中,體內被注入肉桂的阿爾斯海默癥小鼠的記憶力更好,在水迷宮中能取得較好成績,表明肉桂能明顯改善小鼠的記憶力。隨后對小鼠進行電生理刺激實驗,經肉桂粉灌腸的小鼠海馬CA1區群體鋒電位(Population spike,PS)值明顯提高,說明肉桂能提高大腦海馬體突觸間的信息傳遞能力,提高小鼠學習和記憶功能,有治療阿爾斯海默癥的作用[28]。

2.4 降血糖

肉桂多酚通過激活胰島細胞的AKT通路,促進胰島素分泌,降低血糖含量。廖作莊等[29]將鏈脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)注入小鼠體內,小鼠的血糖含量明顯高于正常含量,再用不同濃度的肉桂多酚對小鼠進行14天的灌胃處理,檢測發現小鼠血清中的胰島素含量下降,但胰高血糖素的含量則增加,小鼠血糖(FBZ)濃度降低。同時在肉桂多酚能的作用下,胰島β細胞的陽性細胞數量增加,細胞的AKT信號通路被激活,能分泌更多胰島素,促進糖原合成,最終降低血糖含量。KOFFI KOUAME等[30]采用鏈脲佐菌素(STZ,60mg/kg)腹腔注射誘導SD大鼠,研究了肉桂銀納米粒的降糖活性及對2型糖尿病大鼠腎臟的影響,結果發現,肉桂銀納米粒具有明顯的降糖活性,并在糖尿病引起的腎臟損傷中具有再生作用。ASHLEY N HOEHN等[31]對18名2型糖尿病患者(9名女性和9名男性)做了為期12周的試驗,其中首先3周對照,接著9周實驗,其中一半的受試者服用1 000 mg肉桂,另一半則服用1 000 mg安慰劑。結果肉桂組所有受試者的血糖水平均有下降,與口服糖尿病藥物相當。

2.5 降血脂

FAHADAH NAEEF等[32]評估了肉桂對大白鼠體質量增加、食物攝入和血脂的影響,研究發現肉桂提取物粉4μg/kg的劑量給藥30天后使高膽固醇成年雄性大鼠最終體質量下降4.4%,攝食量下降1.7%,食物利用率下降22.38%,血清總膽固醇下降31.22%,甘油三酯下降24.05%,低密度脂蛋白膽固醇下降43.49%,血清總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)水平在第30天顯著降低。這一發現為肉桂治療高脂血癥提供了依據。

2.6 降尿酸

YOUNG-SIL LEE等[33-34]發現野菊花和肉桂皮提取物的混合物可通過抑制黃嘌呤氧化酶活性和增加尿液排泄來改善高尿酸血癥;該混合物及其主要成分綠原酸、3,4-二咖啡酰奎寧酸(異綠原酸)、香豆素、肉桂醛、反式肉桂酸和鄰甲氧基肉桂醛在體外抑制黃嘌呤氧化酶(XOD)的活性。

2.7 保護心血管

郝霽萍等[35]在探究肉桂酸預處理對大鼠缺血再灌注損傷心肌的影響及其可能機制的過程中發現肉桂酸預處理能減少大鼠心肌缺血再灌注損傷,發揮心肌保護作用。黃亞婷等[2]通過實驗發現肉桂在預防靜脈和動脈血栓方面發揮作用,其機制可能是肉桂中的某些成分能夠抑制二磷酸腺苷誘導的血小板聚集。

2.8 抗炎

JUNG-CHUN LIAO等[36]采用脂多糖(LPS)刺激小鼠巨噬細胞(RAW264.7)和角叉菜膠(Carr)誘導的小鼠足腫脹模型,研究了肉桂成分(肉桂醛、肉桂醇、肉桂酸和香豆素)的抗炎作用,發現肉桂醛可顯著抑制RAW264.7巨噬細胞中NO、TNF-α和PGE2的產生。肉桂醛能減輕Carr所致的足跖水腫,提高足跖組織中過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)的活性;能降低足腫脹小鼠中的丙二醛(MDA)水平和髓過氧化物酶(MPO)活性與血清中NO、TNF-α和PGE2水平。HIMANSHU SHARMA等[37]研究發現肉桂水醇提取物治療可顯著降低CFA誘導的關節炎大鼠的關節腫脹度以及IL-1β和TNF-α水 平(P<0.01)。CHINJARERNPAN PANNEE等[38]比較了肉桂葉油和肉桂醛對脂多糖(LPS)激活的J774A.1細胞的作用。兩種油在1~20μg/mL時均能顯著抑制LPS激活的J774A.1細胞產生NO,其同樣抑制促炎細胞因子和趨化因子的mRNA表達。這些介質包括LPS激活細 胞 中 的TNF-α、IL-1β、IL-6、MCP1和MIP 1α。其還可顯著降低誘導酶誘導型一氧化氮合酶、環氧合酶-2的表達,還能增加抗炎細胞因子IL-10和轉化生長因子-β的產生。

2.9 抗氧化

CHENG-HONG YANG等[39]以肉桂為原料,采用乙醇和超臨界流體萃取(SFE)方法,研究了肉桂不同部位(皮、芽、葉)的抗氧化活性。DPPH清除試驗中SFE和乙醇提取物的IC50值分別為0.562~10.090 mg/mL和0.072~0.208mg/m L,Trolox當量抗氧化能力(TEAC)值分別為6.789~58.335 mmol Trolox/g和133.039~335.779 mmol Trolox/g。肉桂皮乙醇抗氧化活性強于超臨界流體萃取物,證明肉桂可作為天然抗氧化物質。

2.10 抗酪氨酸酶活性

CHEN-TIEN CHANG等[40]評價了肉桂精油及其主要成分對蘑菇酪氨酸酶的抑制活性,發現肉桂精油和肉桂醛具有抗酪氨酸酶活性,IC50分別為(6.16±0.04)mg/m L和(4.04±0.08)mg/m L;而順-2-甲氧基肉桂酸沒有顯示任何抗酪氨酸酶活性。可見肉桂精油及其主要成分肉桂醛具有較強的抗酪氨酸酶活性,可作為皮膚美白劑的良好來源。

2.11 其他作用

徐澤曦等[41]先用白酒或水給予小鼠灌胃,再用肉桂多酚進行灌胃進行對照試驗,發現肉桂多酚處理過的小鼠肝組織受到的損傷較輕,作用機制是肉桂多酚能提高小鼠肝組織的抗氧化能力,可以降低酒精造成的肝組織脂質的氧化造成的損傷,證明肉桂多酚有治療急性酒精肝的作用。肉桂油對免疫系統有一定的抑制作用,小鼠靜脈注入肉桂油后,經檢測小鼠血清中免疫球蛋白lg M、lgG的含量降低,機體對病毒的抵抗能力下降,血清中還發現C3、C4的含量有所提高,這是生物體對肉桂油刺激做出的反應,證明生物體的免疫調節作用并沒有完全被抑制[42]。SUMANTA KUMAR GOSWAMI等[43]研究發現治療量的肉桂能顯著增強老年大鼠的性欲和勃起功能,提高大鼠陰莖組織中平滑肌水平,從而改善老年大鼠性功能。

3 結語

近年來隨著科學技術的發展,國內外學者對肉桂進行了深入研究,肉桂的有效成分提取技術比較成熟,臨床應用比較廣泛。現在一般用水蒸氣蒸餾法和超臨界CO2萃取法從肉桂中提取肉桂油,用氣相色譜質譜法分析檢測化學成分,發現肉桂揮發油的主要成分有肉桂醛、肉桂醇、反式肉桂酸等。

中國地大物博,資源豐富,能夠藥用的資源也有較大的開發空間。近年來隨著國家經濟逐步發展,人們對生活質量以及醫療用藥的要求越來越高。本次研究的肉桂療效豐富,研究表明肉桂有抗腫瘤作用、抗菌作用、抗炎、抗氧化、抗酪氨酸酶、降糖、降脂、降尿酸等多種藥理作用,可治療多種疾病,具有多種用途。今后的研究中,可加強肉桂產品的開發,特別是肉桂精油在消毒、美白、保鮮等領域的產品開發與利用;另外,從作用機制上,還可以對肉桂的主要成分在相關作用機制方面進行深入研究,為肉桂的臨床應用提供更多依據。